4.2. Порядок выполнения работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
_____________________________________________________________________
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ХТФ
______В.М. Погребенков
«____» __________2008г.
КАФЕДРА ОБЩЕЙ
ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Электрохимический способ получения медного порошка
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные
направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»»
Томск 2008
УДК 66.02.(076.1)
Электрохимический способ получения медного порошка
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные
направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»» Томск: Изд. ТПУ, 2008 - 8 с.
Составитель
к.т.н., доц. каф. ОХТ
Рецензент к.х.н., доц. каф. ОХТ
О. И. Налесник
Ю. Н. Обливанцев
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром
кафедры общей химической технологии “____”_________ 2007г.
Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф.
2
В.В. Коробочкин
1. Введение
Несмотря на бурное развитие нанотехнологии применение нанопорошков,
металлических и не металлических материалов, традиционные методы получения
металлических порошков ещё долго не утратят своего значения. Металлические
порошки могут быть получены различными физическими методами (взрывная
технология, конденсация паров и др.), но ни один из них не может сравниться с
электрохимическим по объёмам производства и применения в порошковой металлургии. Электрохимический способ позволяет получить с заданными свойствами порошки железа, меди, цинка, никеля и др. металлов.
2. Теоретические основы получения медного порошка
Исходным материалом получения медного порошка электролизом является
черновая медь с содержанием примесей до 5 % и более, полученная восстановительной плавкой. Достоинство метода заключается в том, что электролизом получается медный порошок с содержанием примесей не более 0,1 %. Это возможно благодаря тому, что медь имеет более положительный потенциал, чем потенциал примесей (см. табл. 1).
Таблица 1
Стандартные потенциалы меди и её примесей
Элемент
o
Me2+ / Me/
E
,В
Cu
+0,34
Cd
-0,402
Co
-0,2
Fe
-0,44
Ni
-0,25
Zn
-0,76
Черновая медь с примесями при электролизе с анода переходит в раствор по
реакциям:
Cu = Cu2+ +2е;
Ме = Ме2+ +2е
(1)
(2)
При этом все указанные примеси, как более электроотрицательные, окисляются и переходят в раствор в первую очередь, так как при сдвиге потенциала в
положительную сторону вначале достигаются их потенциалами и протекает
окисление по реакции (2).
Поэтому, потенциал чернового анода при электролизе должен иметь значение > 0,34 В. Потенциал катода должен быть < 0,34, но не достигать равновесного потенциала ближайшей примеси, т. е. никеля (–0,26В).
Побочных процессов выделения водорода и кислорода на электродах нет.
Для начала выделения кислорода необходимо, чтобы потенциал анода был более
суммы равновесного потенциала кислорода (1,23В) и начального перенапряже3
Cu
ния выделения кислорода на меди ( hO ). Для начала выделения водорода в ка2
тодном процессе на медном электроде необходимо превысить только начальное
Cu
перенапряжение его выделения ( hH ).
2
Поэтому выход катодной меди близок к 100 %. Некоторое отклонение от
100 % (превышение) возможно в результате процессов:
на аноде
в объёме
Cu → Cu+ +1е;
2Cu+ → Cu + Cu2+
(3)
(4)
Тонкодисперсная атомарная медь, образующаяся в объёме, присоединяется
к катодному порошку, увеличивая выход по току.
Рассмотренные теоретические положения лежат в основе получения как
компактной электролитической меди, используемой в электротехнике, так и медного порошка.
Выделение меди на катоде в виде порошка происходит при диффузионном
контроле, т. е. лимитирующей стадией процесса должна быть доставка ионов из
глубины электролита к поверхности электрода:
D
ik = zF × (C 0 - C S ),
δ
где
(5)
ik - катодная плотность тока, Ф/см2 (Ф/м2);
D - коэффициент диффузии ионов Cu2+ в водном растворе, см2/с;
δ - толщина диффузионного слоя (0,05 – 0,1 см);
(C 0 - C S ) - концентрация ионов Cu2+ в объёме и вблизи поверхности,
моль/см3;
F - число Фарадея (96500 кулонов).
Установлено, что переход от компактных осадков к рыхлым (порошковым)
происходит при резком снижении поверхностной концентрации (СS ≈ 0) и плотность тока определяется выражением:
D
ik = zF × ×C 0
δ
(6)
На качество порошка влияют факторы: плотность тока и концентрация меди, температура процесса. Из уравнения (4) следует, что при меньшей концентрации легче получить порошок меди (требуется меньшая плотность тока).
Рост температуры увеличивает коэффициент диффузии, но требует более
высокой плотности тока для получения порошка. При этом увеличивается размер
частиц порошка. И наоборот, понижение температуры ведёт к снижению плотности тока и размеров частиц.
Напряжение электролиза определяется по уравнению:
4
U Э = D Е+ + D Е- + J ×rОМ ,
где
(7)
D Е+ и D Е- - анодная и катодная поляризации медного электрода,
А/м (см. рис.1);
rОМ - омическое сопротивление электролизёра (ячейки), Ом.
2
Рис.1. Схема анодных и катодных процессов при электрохимическом получении
меди.
Поскольку поляризация электродов незначительная, а омическое сопротивление снижено добавкой серной кислоты, реальное напряжение электролиза составляет несколько десятых долей вольта.
3. Технология производства медного порошка
На рисунке 2 представлена схема производства порошка.
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема производства медного порошка
5
Электролизная ванна – металлическая футерованная изнутри виниластом.
Днище ванны - конусное для накопления порошка, который периодически выгружается. На практике применяется электролит состава 0,2 М CuSO4 с добавлением 1–2 М H2SO4 для увеличения электропроводности.
Режим электролиза: ik = 1800 – 2000 А/м2, t = 45 – 50 оС.
Аноды – литые плиты толщиной до 5 см и массой до 80 кг и более.
Катоды – круглые стержни из меди, свинца.
После отделения от электролита порошок промывается и стабилизируется
против слёживаемости и срастания частиц. Дополнительный размол и рассев по
фракциям – завершающие операции производства. Примеси черновой меди
накапливаются в электролите до равных с медью концентраций, не загрязняя
порошок. Допустимая концентрация их поддерживается отводом части электролита на очистку, а затем возвратом в схему циркуляции.
4. Экспериментальная часть
Цель работы: Определение влияния плотности тока концентрации меди или
температуры на выход порошка по току, на удельные затраты
4.1. Схема установки
1 – стакан;
2. – аноды из меди;
3. – катод;
4. – гальваностатический источник тока.
4.2. Порядок выполнения работы
1.
2.
3.
4.
6
Налить в стакан электролит;
установить медные аноды;
зачистить 2 – 3 катода и взвесить;
закрепить катод в крышку ячейки и замерить глубину погружения;
5. рассчитать рабочую поверхность катода S k = p dhраб , (см2, м2), затем значение тока по заданным плотностям тока
J = ik Sk , A ;
6. установить значение рассчитанного тока и после первой проверки схемы преподавателем включить источник тока;
7. время каждого эксперимента 0,5 – 1 час;
8. взвесить 2 – 3 фильтра;
9. при необходимости повышенную температуру в ячейке обеспечивать с помощью кастрюли с водой на электроплите;
10. .периодически замерять и записывать напряжение электролиза.
После завершения каждого опыта отфильтровать медный порошок, промыть
его на фильтре вместе с графитовым стержнем, 3 раза наполняя воронку с фильтром промывной водой. Сушка производится при небольшом нагреве.
Результаты эксперимента заносят в таблицу.
Таблица 2
Результаты эксперимента
Состав электро- Т, К Sk,см2 i, А/см2 J, A τ, час mпор UСР, В Вт, %
лита,г/л.
CuSO4 H2SO4
Wуд,
Вт·ч/г
Масса порошка находится по разности:
пр
mпор
= m - mгр - mф .
(8)
где: mгр - масса графитового стержня, г ;
mф - масса бумажного фильтра, г.;
m - масса фильтра с порошком и катодом.
Выход порошка по току и удельные затраты электроэнергии найти по формулам:
BТ =
пр
mпор
;
теор
mпор
W
WУД = пр ;
mпор
где:
(9)
(10)
теор
mпор
= J ×τ ×qсл , г.,
(11)
W = J ×U ×τ , Вт·ч.
(12)
По полученным результатам сделать выводы.
7
5. Оформление отчета
Отчет по получению медного порошка должен содержать:
б) схему установки;
в) цель работы;
г) порядок выполнения работы
д) таблицу экспериментальных результатов;
е) обработку результатов эксперимента;
ж) краткий вывод по результатам расчета. Выводы должны соответствовать целям эксперимента.
Электрохимический способ получения медного порошка
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные
направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»» –
Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 8с.
Составитель
к.т.н., доц. каф. ОХТ
О. И. Налесник
Рецензент
к.х.н., доц. каф. ОХТ
Ю. Н. Обливанцев
Подписано к печати 13.03.08.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать RISO. Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л.
Тираж
экз. Заказ
Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина 30.
8